燕山山脈某隧道地應(yīng)力特征及巖爆預測與防治

李建偉　劉廣英　李　翔

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津　300142)

Research on Stress Character and Rock-burst Forecasting and Prevention Measure of Some Yanshan Mountain Tunnel

LI Jianwei　LIU Guangying　LI Xiang

燕山山脈某隧道地應(yīng)力特征及巖爆預測與防治

李建偉劉廣英李翔

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津300142)

Research on Stress Character and Rock-burst Forecasting and Prevention Measure of Some Yanshan Mountain Tunnel

LI JianweiLIU GuangyingLI Xiang

摘要巖爆預測一直是地下工程世界性難題之一。為研究燕山山脈某深埋隧道的地應(yīng)力特征及巖爆預測，對研究區(qū)地貌地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造以及構(gòu)造破碎帶的地質(zhì)過程進行分析，并在研究過程中選取典型部位，采用水壓致裂法實測獲得了工程區(qū)地應(yīng)力資料，利用多種方法對隧道巖爆進行預測：(1)該隧道三個測試鉆孔附近地應(yīng)力分布較為穩(wěn)定，無明顯異常帶，以水平主應(yīng)力作用為主，隧道軸線與最大主應(yīng)力方向夾角約17°，軸線選擇方案可行，基本有利于隧道的穩(wěn)定性。(2)該隧道施工過程中可能發(fā)生片幫現(xiàn)象或輕微的巖爆。經(jīng)施工驗證，開挖過程中實際巖爆特征基本與預測一致。

關(guān)鍵詞地應(yīng)力水壓致裂法巖爆預測與防治

巖爆是指在高地應(yīng)力地區(qū)洞室開挖后，由于洞室圍巖的應(yīng)力重分布和應(yīng)力集中，在較短時間產(chǎn)生的突發(fā)、猛烈的脆性破壞形式。破碎巖石從坑洞壁面彈射或大量巖石崩出，產(chǎn)生強烈的氣浪或沖擊波，最強可摧毀整個作業(yè)面乃至整個洞室[1-3]，直接威脅施工人員及設(shè)備的安全，影響工程進度。燕山地區(qū)深埋隧道開挖誘發(fā)的巖爆問題是工程施工關(guān)注的熱點，其突發(fā)性常帶來災害性的事故。因此，在該地區(qū)開展深埋隧道地應(yīng)力特征及其巖爆預測研究具有重要現(xiàn)實意義。以燕山山脈某深埋鐵路隧道為研究對象，在系統(tǒng)梳理搜集隧道區(qū)域地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，開展了三方面的研究：①區(qū)域地質(zhì)環(huán)境分析；②地應(yīng)力測試與特征分析；③巖爆可能性判別及防治措施，為隧道巖爆地質(zhì)災害的預報及合理制定開挖支護方案提供可靠的依據(jù)。

1隧址區(qū)地質(zhì)概況

1.1　地形地貌及地層

隧址區(qū)地處燕山山脈西段，近東西向展布，地貌屬構(gòu)造剝蝕中低山區(qū)。整個隧道穿越起伏疊嶂的山巒，山勢挺拔綿延，呈西北—南東向展布，山高坡陡谷深，地形急劇起伏，多呈懸崖陡坎，溝谷切割強烈。區(qū)內(nèi)最高主峰海拔高程為1 567.5 m。隧道最大埋深為557 m。

隧道范圍穿越地層復雜，進出口為第四系上更新統(tǒng)坡洪積新黃土及碎石類土；洞身范圍經(jīng)過的主要地層為太古界水地莊巖組角閃斜長片麻巖、變粒巖及花崗片麻巖，侏羅系上統(tǒng)張家口組安山巖，長城系常州溝組石英砂巖、粉砂巖，燕山期二長花崗巖，燕山期正長斑巖、石英正長斑巖、輝綠巖。圍巖埋深最大部分主要為硬質(zhì)火成巖，巖體內(nèi)的應(yīng)力環(huán)境受到河流溝谷、隧道埋深、構(gòu)造應(yīng)力的綜合控制。

1.2　地質(zhì)構(gòu)造

隧道區(qū)大地構(gòu)造上位于華北地臺燕山臺褶帶北緣西段，隸屬龍關(guān)穹褶束Ⅳ級構(gòu)造單元。區(qū)內(nèi)構(gòu)造比較復雜，構(gòu)造形跡以斷裂構(gòu)造和褶皺構(gòu)造為主，不同方向、不同性質(zhì)、多期活動的斷裂構(gòu)造交錯在一起，構(gòu)成隧道區(qū)內(nèi)的主體構(gòu)造格局。區(qū)內(nèi)小斷裂構(gòu)造較發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)有深大斷裂通過本區(qū)，按其展布方向可分為近東西向、北東向、北西向和北北東向4組，其中以北東向和北北東向斷裂最為發(fā)育。區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造不發(fā)育，多表現(xiàn)為斷層附近的牽引褶皺，而且規(guī)模較小。

本區(qū)地表斷裂構(gòu)造不發(fā)育，地表在DK60+800有一條逆斷層，走向NWW，在DK61+150有一條擠壓破碎帶，走向NE；在5個鉆孔中揭露到了構(gòu)造，根據(jù)斷裂所切割的地層和所處區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場分析，斷裂主要活動時代為侏羅系-早白堊系，結(jié)構(gòu)面、斷層和節(jié)理裂隙疊置組合在一起，構(gòu)成了隧道的構(gòu)造破碎帶，隧道工程地質(zhì)剖面見圖1。

圖1　某鐵路隧道工程地質(zhì)剖面示意

2水壓致裂法地應(yīng)力測試

2.1　測試原理

水壓致裂法是20世紀70年代發(fā)展起來的一種地應(yīng)力測量方法，該方法是國際巖石力學學會試驗方法委員會頒布的確定巖石應(yīng)力所推薦的方法之一，是目前國際上能較好地直接進行深孔應(yīng)力測量的先進方法。該方法無需知道巖石的力學參數(shù)就可獲得地層中現(xiàn)今地應(yīng)力的多種參量[4-6]，利用一對可膨脹的封隔器在選定的測量深度封隔一段鉆孔，然后通過泵入流體對該試驗段(常稱壓裂段)增壓，同時利用X-Y記錄儀、計算機數(shù)字采集系統(tǒng)或數(shù)字磁帶記錄儀記錄壓力隨時間的變化。對實測記錄曲線進行分析，得到特征壓力參數(shù)，再根據(jù)相應(yīng)的理論計算公式，就可得到測點處的最大和最小水平主應(yīng)力的量值SH、Sh以及巖石的水壓致裂抗拉強度等巖石力學參數(shù)，其中估算垂直應(yīng)力SV采取上覆巖石容重約為2.65 g/cm3估算。

圖2　最大、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力量值隨深度分布線性關(guān)系

2.2　測試成果

本次選取在隧道不同地段的ZK1、ZK2、ZK3三個鉆孔，在不同的深度共進行了25個測段的水壓致裂法地應(yīng)力測量，既有巖石完整段也有巖石微裂的測段，測試結(jié)果較真實的反映了各測孔附近的原地應(yīng)力特征，具有很好的代表性(見表1及圖2)。

表1　三個測試孔最大、最小水平主應(yīng)力值和

由表1中三個孔測量結(jié)果可以看出，在鉆孔測試深度域內(nèi)，大小地應(yīng)力值大體相等，地應(yīng)力值不高，三個測孔最大主應(yīng)力值在5.0～12.0 MPa，最小水平主應(yīng)力在3.0～8.0 MPa，估算的垂直應(yīng)力在2.0～9.0 MPa。最大主應(yīng)力大于垂直應(yīng)力和最小主應(yīng)力，表明三個鉆孔均以水平主應(yīng)力作用為主。

3測試區(qū)域應(yīng)力場特征

3.1　地應(yīng)力量值隨深度分布特征

為了進一步分析了解工程區(qū)隧道地應(yīng)力隨深增加的分布規(guī)律，首先對ZK1孔、ZK2孔和ZK3孔各測段的地應(yīng)力值隨深度分布進行線性回歸計算。如圖2所示，得到三個鉆孔線性回歸計算關(guān)系表達式(見表3)。式中，SH，Sh，SV分別為最大、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力，單位為MPa，H為深度，單位為m，r為線性相關(guān)系數(shù)。

由圖2以及表2線性回歸計算式可見，三個鉆孔線性回歸關(guān)系均較好，r相關(guān)系數(shù)較大于0.90，表明各孔測段的應(yīng)力值離散度小。說明三個鉆孔的水平主應(yīng)力的大、小值隨深度(H)的增加而增大的梯度變化較有規(guī)律，鉆孔附近應(yīng)力狀況分布均勻。

分析認為三個鉆孔推算得到的線性回歸計算關(guān)系表達式，均適用于該隧道在各個不同地段、不同埋深處的應(yīng)力推算。

表2　隧道3個鉆孔主應(yīng)力隨深度H線性回歸表達式

3.2　地應(yīng)力場作用方向與隧道軸線關(guān)系

根據(jù)水平壓致裂應(yīng)力測量原理，在完整巖石中進行壓裂測量，不管兩向水平主應(yīng)力的大小如何，破裂面總是沿著最大主應(yīng)力方向的孔壁上首先產(chǎn)生，且裂縫多為近垂直，壓裂縫的方向就是最大水平主應(yīng)力的方向。為了測定主應(yīng)力方向，三個鉆孔共進行了9次印模測定。這里需要指出絕大多數(shù)破裂印痕與孔軸近于平行，以此確定的最大水平主應(yīng)力方向是準確可靠的，有些印痕拐彎與孔軸傾斜或斜交，這些裂縫確定出來的最大水平主應(yīng)力方向有一定的誤差。

如表3所示，三個鉆孔主應(yīng)力的方向結(jié)果均在N50°～84°E 的范圍內(nèi)，測量結(jié)果有較好的一致性，由此表明工程區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場為以NEE～SWW方向擠壓為主。

理論及實踐證明，最大水平主應(yīng)力方向與隧道軸線的夾角θ越小越有利于硐室的穩(wěn)定性[7]，本隧道軸線的方位角為N67°E，與隧道最大水平主應(yīng)力方向約以17°相交，角度較小，有利于隧道工程的穩(wěn)定性。

表3　隧道3個鉆孔最大水平主應(yīng)力方向統(tǒng)計

3.3　隧道軸線處平面應(yīng)力及橫截面最大切向應(yīng)力

根據(jù)彈性力學及水平壓致裂應(yīng)力測量原理，由三個主應(yīng)力SH、Sh、SV及最大水平主應(yīng)力與隧道軸線夾角θ，可以推導出隧道側(cè)向應(yīng)力σ橫、隧道軸向應(yīng)力σ縱、隧道剪切應(yīng)力τ及隧道軸線橫截面上最大切向應(yīng)力σθmax。計算式如下

(1)

(2)

由以上公式，可推出在隧道軸線附近三個鉆孔中的各個應(yīng)力參數(shù)(見表4)。

表4　隧道軸線附近應(yīng)力參數(shù)

4隧道巖爆預測分析

大量的工程實例證明，巖爆多數(shù)發(fā)生在石英巖、花崗巖、正長巖、閃長巖、花崗閃長巖、大理巖、花斑狀大理巖、片麻巖等巖體中。這些巖體的共同力學特征是彈脆性，并且?guī)r體堅硬、致密、完整、風化程度低、含水量少[7]。本文所研究的隧道巖性組成主要為花崗巖及片麻巖，埋深多處于200～400 m，具備了發(fā)生巖爆的巖性條件及埋深條件。對三個鉆孔的巖石進行取樣并統(tǒng)計得出抗壓強度參數(shù)(見表5)，可知該隧道鉆孔巖石強度大于60 MPa，為堅硬巖。

本次巖爆分析從地應(yīng)力角度著手，采用強度理論判別法進行定性或定量的綜合評價。

表5　三個鉆孔巖石物理力學指標統(tǒng)計一覽

4.1　工程巖體分級判別方法

《工程巖體分級標準》(GB50218—94)相對完整地考慮了地應(yīng)力因素對地下洞室的成洞性的影響，評價了開挖過程中的主要現(xiàn)象，并規(guī)定硬質(zhì)巖在高應(yīng)力地區(qū)當RC/σθmax的值介于4～7時，在開挖過程中可能發(fā)生巖爆，洞壁巖體有剝離和掉塊現(xiàn)象，新生裂縫較多，成洞性差[8]。

本工程中三個鉆孔ZK1、ZK2和ZK3在洞身位置RC/σθmax值分別為5.0、5.5、4.2，根據(jù)《工程巖體分級標準》判別，該隧道可能會發(fā)生巖爆及剝離掉塊現(xiàn)象。

4.2　Andersson判別方法

Dowding C.H. & Andersson C.A.提出[9]：

本工程中三個鉆孔ZK1、ZK2和ZK3在洞身位置σθmax/RC的值分別為0.20，0.18和0.24，根據(jù)Andersson判據(jù)，該隧道一般不發(fā)生片幫或巖爆。

4.3　Turchaninov判別方法

前蘇聯(lián)N.A.Turchaninov(多爾恰尼諾夫)[10]根據(jù)礦井建設(shè)經(jīng)驗，提出了巖爆活動性由硐室切向應(yīng)力σθ和軸向應(yīng)力σL的和與單軸抗壓強度Rc之比確定：

本工程中三個鉆孔ZK1、ZK2和ZK3在洞身位置(σθ+σL)/RC的值分別為0.33、0.30和0.39，根據(jù)多爾恰尼諾夫判據(jù)，該隧道有巖爆發(fā)生的可能。

4.4　陶振宇判別方法

我國的陶振宇教授在總結(jié)多項工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，修正了挪威曾采用的巴頓法，根據(jù)圍巖圍巖抗壓強度RC與最大主應(yīng)力σ1的關(guān)系，提出一組新的判別臨界值[11]

本工程中三個鉆孔ZK1、ZK2和ZK3在洞身位置RC/σ1的值分別為7.2、8.3和6.5，根據(jù)陶振宇方法判據(jù)，該隧道存在低巖爆活動，有輕微聲發(fā)射現(xiàn)象。

從巖爆分析理論看，巖石抗壓強度對巖爆預測分析結(jié)果及巖爆的等級有著直接影響。通過以上幾種巖爆預測判別方法進行分析，結(jié)果僅Andersson判據(jù)預測無巖爆發(fā)生，其他方法均預測為弱巖爆或可能發(fā)生低巖爆活動。另外，巖爆作為一種復雜的地質(zhì)現(xiàn)象，除了受地應(yīng)力及巖石強度影響外，還與巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)、施工中洞壁輪廓的平整性、爆破方式等各種因素有關(guān)。綜合分析，該隧道施工過程中可能發(fā)生片幫現(xiàn)象或輕微的巖爆，在施工過程中仍需要采取監(jiān)測手段和必要的安全措施。

5施工開挖特征及防治對策

5.1　施工開挖特征

現(xiàn)場三個測試孔位置段落已經(jīng)完成了施工開挖。在施工過程中，由于采取了洞壁灑水、掛網(wǎng)噴射混凝土及打應(yīng)力釋放孔等措施，僅在ZK1、ZK2兩鉆孔段落內(nèi)發(fā)生了輕微級別的巖爆，有剝落和片幫現(xiàn)象，伴隨清脆的“啪啪”聲響，未出現(xiàn)彈射。但在ZK3鉆孔附近段落未出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象。綜合分析，是由于在ZK1、ZK2兩個段落內(nèi)巖體完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育，而在ZK3段落發(fā)育小型構(gòu)造F7，能量已通過節(jié)理裂隙方式消散?，F(xiàn)場實際情況印證了之前的巖爆預測結(jié)果，同時，也證明了地質(zhì)構(gòu)造及巖體特征對巖爆形成的影響。

5.2　巖爆防治對策

(1)工程選址時盡量避免將隧道設(shè)在高應(yīng)力集中的地區(qū)，如果無法避開時，應(yīng)盡量使最大水平主應(yīng)力方向與隧道軸線平行布置，或使二者的夾角越小越好。

(2)改善圍巖物理力學性能，緩釋圍巖應(yīng)力，通過向開挖面及洞壁進行噴灑水潤濕或通過超前鉆孔高壓注水；沿開挖輪廓線預打超前應(yīng)力釋放孔。

(3)改善圍巖的應(yīng)力環(huán)境，采用超前應(yīng)力解除法。如進行超前應(yīng)力釋放孔的布置，控制好圍巖的光爆效果，力保開挖面圓順，采用臺階式開挖、短進尺多循環(huán)、松動爆破等降低圍巖的應(yīng)力集中程度。

(4)加強圍巖的支護措施，如掛鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土或鋼纖維及混雜纖維混凝土、梅花形布置錨桿等；使錨桿與噴網(wǎng)形成系統(tǒng)組合，錨桿施工后及時安裝鋼筋網(wǎng)，達到充分加固圍巖的作用。

(5)施工過程中加強監(jiān)測及記錄，及時跟進并根據(jù)巖爆程度調(diào)整處理措施。

6結(jié)束語

(1)該隧道三個測試鉆孔附近地應(yīng)力分布較為穩(wěn)定，無明顯異常帶，以水平主應(yīng)力作用為主。隧道軸線與最大主應(yīng)力方向夾角約17°，夾角較小，方向選擇可行，基本有利于隧道的穩(wěn)定性。

(2)通過水壓致裂法地應(yīng)力測試，獲得了本隧道區(qū)的應(yīng)力資料，根據(jù)地應(yīng)力條件和巖石強度參數(shù)，采用多種方法對隧道巖爆進行預測，結(jié)果顯示該隧道施工過程中在埋深318～340 m處時可能發(fā)生片幫現(xiàn)象或輕微的巖爆。

(3)施工過程隧道的實際巖爆特征基本與預測結(jié)果一致，由于現(xiàn)場采取了一系列措施，有效保證了施工的安全。同時對實際情況進行了分析，驗證了巖爆作為一種復雜的地質(zhì)現(xiàn)象，除了受地應(yīng)力及巖石強度影響外，還跟巖體特征、地質(zhì)構(gòu)造等各種因素有關(guān)。

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中圖分類號：TU443

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)03-0018-04

作者簡介：第一李建偉(1985—)，男，2010年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(武漢)地質(zhì)工程專業(yè)，工學碩士，工程師。

收稿日期：2015-01-26